Matlab辅助的过程控制教学方法探究

陈 曦,肖 翀,彭 鑫,荣 军

(1.湖南理工学院 信息与通信工程学院,湖南 岳阳 414006; 2.湖南理工学院 南湖学院,湖南 岳阳 414006)

Matlab辅助的过程控制教学方法探究

陈 曦1,肖 翀2,彭 鑫1,荣 军1

(1.湖南理工学院 信息与通信工程学院,湖南 岳阳 414006; 2.湖南理工学院 南湖学院,湖南 岳阳 414006)

针对过程控制教学中存在的控制系统描述不够详细、系统参数分析不够深入而导致的学生理解知识有困难的问题,提出了以Matlab为辅助工具的过程控制教学方法.以典型串级调节系统作为例子,建立了系统仿真模型,分析了系统各主要参数变化对系统控制性能的影响,作为课程教学的辅助和补充.结果表明,这种方法能引导学生更直观、深入的学习课程知识,提高了教学效率和质量.

过程控制; 计算机仿真; 教学方法; 串级调节系统; 参数分析

Abstract: There are some problems in process control course teaching,such as the description of control system and system parametric study are not specific enough leading to various study difficulties of students.Aiming to solve these problems,a novel teaching method with Matlab assistance is proposed.A classic cascade control system model is presented,and effects of prime parameters on system performance are analyzed,which could serve as the supplement for course teaching.The results show that the novel teaching method can help students study more directly and thoroughly,and improve the learning efficiency and effects.

Key words: process control,computer simulation,teaching method,cascade control system,parameter analysis

0 引言

过程控制是自动化专业高年级学生必修的一门专业课程,对于工业控制方向的学生来说更是极为重要.该课程一方面是电路设计、自动控制原理、现代控制理论等基础知识的具体应用,另一方面是后期培养环节中课程设计和毕业设计的重要基础和方向[1,2].由于该课程涉及的知识范围较广,需要学生具有扎实的理论基础,并且在讲授各类型过程控制系统过程中经常存在着介绍较为笼统,分析不够深入,对具体案例缺乏具体定性定量分析等问题,导致老师的讲解困难和学生对知识的消化不良.针对这些问题,笔者将Matlab作为辅助工具,引入到过程控制课程重点难点的教学中,解决老师授课吃力,学生听课费心的问题,达到了事半功倍的效果.另外,学生在学习过程控制课程知识的同时,也掌握了Matlab仿真工具的应用,为后续课程设计和毕业设计的顺利开展打下了良好的基础.

1 过程控制课程教学难点举例

在《自动化仪表与过程控制》(第4版)第七章的7.1节中,串级调节系统是本章讲授的几种常用过程控制系统中的重点和难点[3].教材中将火力发电厂锅炉设备的过热蒸汽温度控制环节作为串级调节系统的案例,如图1所示.为将锅炉排放烟气能量进行余热回收,入口蒸汽经过热器与烟气进行热交换后,以干蒸汽的形式输出.过热器作为调节对象,管壁金属本身的热容量很大,具有较大的热惯性,而且管道较长故具有一定的纯滞后,因此烟气(f1)、入口蒸汽(f2)、减温水(f3)的流量变化均可作为干扰经过热器影响到系统对蒸汽温度(θ1)的准确控制.对于这样具有大惯性环节、大滞后的被控对象来说,传统的单回路调节系统很难做到对干扰的迅速克服和被控指标的准确调节,而串级过程调节系统借助其双回路、双调节器、系统副环的对象惯性小、工作频率高的特点能有效克服各种扰动对的θ1影响,提高系统调节频率,改善控制质量,具体系统结构如图2所示.其中分别表示主副调节器和主副回路调节对象的传递函数,具体表达式为

其中Kc1和Kc2分别代表主调节器和副调节器采用比例调节形式的比例增益;K01和K02分别代表主回路和副回路调节对象的增益,T1和T2分别代表主回路和副回路调节对象的时间常数.

图1 锅炉设备蒸汽温度串级调节系统

图2 串级调节系统方框图

课本中对串级调节系统的介绍和性能分析,仅基于以上传递函数的计算和推导,从公式的角度分析串级调节系统在增加副环后调节性能的提升,例如调节频率、控制器增益、干扰进入位置的影响等,并未给出具体的各项参数变化对调节系统动态特性的影响,而且缺乏实例讲解,给老师的授课增加了难度,学生也很难充分掌握知识点.针对这一问题,笔者借助Matlab仿真平台,针对实例建立了串级调节系统的仿真模型,从参数分析角度出发,结合已有的理论分析教学方法向学生讲解知识点,帮助学生扎实、深入地掌握该课程的重点和难点.

2 基于Matlab的课程教学设计

为帮助学生全面和深入地了解串级调节系统的动态特性,掌握主副控制器、主副回路调节对象的参数变化与系统输出之间的映射关系,基于Matlab/Simulink平台建立了串级调节系统的仿真模型,如图3所示[4～6].输入值为出口蒸汽温度设定值(Setting Value),输出值为出口蒸汽温度过程值(Stream Temperature),即被控温度.F1和F2分别为主副回路中存在的干扰,以阶跃函数的形式体现.仿真模型中的具体参数设置见表1.

图3 基于Matlab的串级调节系统仿真模型

表1 串级调节系统模型参数设置

3 仿真结果与教学讨论

3.1 主、副控制器参数对系统动态特性影响

对于主、副回路控制器参数对串级调节系统动态特性的影响,教材仅进行了定性的简单描述,未针对实例深入讲解,不利于学生对知识的理解和掌握.本文借助过热器串级调节系统仿真模型得到了主、副回路控制器比例增益Kc1和Kc2变化分别对过热器出口蒸汽温度的影响.蒸汽温度设定值为400℃.如图4(a)所示,当Kc1分别取5、10、20时,出口蒸汽温度均经过震荡达到稳态,随着Kc1的增大,稳态值与设定值之间的残差变小,但超调度也随之增大,表明增大主控制器增益可减小残差,但会增大超调度.如图4(b)所示,随着Kc2取值从5到20逐渐增大,出口蒸汽温度动态曲线的超调量逐渐减小,系统的过度过程更加平稳,表明增大副控制器增益有助于提升串级调节系统的控制效果.这些仿真结果所得到的结论与课本定性分析的结论吻合,但更为直观的描述了系统动态特性的机理,更加有助于学生理解和掌握知识.

图4 主、副控制器增益对系统动态特性的影响

3.2 主、副回路调节对象参数对系统动态特性影响

主、副回路调节对象参数设置直接决定了调节对象本身的动态特性,影响着串级调节系统的控制质量.对于具有大滞后惯性缓解的调节对象来说,自身的时间常数大小对串级调节系统的控制效果有着重要影响.如图5(a)所示,随着主回路调节对象的时间常数T1增大,出口蒸汽温度的超调度明显减小,但调节时间增大,与大时间常数惯性环节的动态特性相吻合.如图5(b)所示,当副回路调节对象的时间常数T2增大,出口蒸汽温度的超调度增大,调节时间增加,意味着副回路调节对象的时间常数与调节频率成反比,时间常数越小,控制效果越好.传统授课过程中,在讲述串级调节系统的动态特性时,往往仅侧重于控制器控制效果的分析,忽略了调节对象本身的动态特性介绍,仿真结果可作为补充,帮助学生直观、深入理解串级调节系统控制下不同调节对象的动态特性.

图5 主、副回路调节对象时间常数对系统动态特性的影响

3.3 主、副回路干扰进入位置对系统动态特性影响

串级调节系统的一个优点就是可以通过引入副环,迅速克服副环中的干扰对被控对象的影响[7,8].但在教材中仅通过公式推导,定性地描述了这一优势.本文通过仿真结果对比了干扰F1、F2分别从主副回路进入系统对输出蒸汽温度造成的影响.如图6所示,当F1、F2分别以阶跃函数的形式作为干扰进入串级调节系统时,系统对F2的抑制能力要明显优于F1.原因是副环的调节频率要高于主环,能更加快速地消除干扰带来的影响.将仿真结果作为理论分析的补充,可以帮助学生更加容易地理解串级调节系统抗干扰能力的特性.

图6 主、副回路干扰进入位置对系统动态特性的影响

4 结论

综上所述,针对过程控制课程教学中的重点和难点,借助Matlab仿真工具建立相应的系统仿真模型,将仿真结果与理论分析相结合可以帮助老师更加全面、深入地讲解知识,同时也有助于学生直观、扎实地理解和掌握知识.既减轻了老师的教学压力,也提升了学生的听课效率,达到了事半功倍的效果.

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Teaching Method Research of Process Control Course Using Matlab

CHEN Xi1,XIAO Chong2,PENG Xin1,RONG Jun1
(1.College of Information and Communication Engineering,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China;2.Nanhu College,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

G642

A

1672-5298(2017)03-0091-04

2017-03-16

湖南省自然科学基金(2017JJ3095; 2014JJ3130)

陈 曦(1985− ),男,湖南岳阳人,博士,湖南理工学院信息与通信工程学院讲师.主要研究方向: 燃料电池,可再生能源利用系统

肖 翀(1985− ),女,湖南岳阳人,硕士,湖南理工学院南湖学院讲师.主要研究方向: 现代逻辑及其应用,思想政治教育